JavaScript LFU缓存算法

SADON_jung 2022-05-23 我要评论

什么是LFU

LFU（Least Frequently Used），最近最少使用策略，也就是说在一段时间内，数据被使用频次最少的，优先被淘汰。
它是一种用于管理计算机内存的缓存算法，采用LFU算法的最简单方法是为每个加载到缓存的块分配一个计数器。每次引用该块时，计数器将增加一。当缓存达到容量并有一个新的内存块等待插入时，系统将搜索计数器最低的块并将其从缓存中删除。

描述

请你为最不经常使用（LFU）缓存算法设计并实现数据结构。

实现 LFUCache 类：

LFUCache(int capacity) - 用数据结构的容量 capacity 初始化对象

int get(int key) - 如果键 key 存在于缓存中，则获取键的值，否则返回 -1 。

void put(int key, int value) - 如果键 key 已存在，则变更其值；如果键不存在，请插入键值对。

当缓存达到其容量 capacity 时，则应该在插入新项之前，移除最不经常使用的项。

在此问题中，当存在平局（即两个或更多个键具有相同使用频率）时，应该去除最近最久未使用的键。

为了确定最不常使用的键，可以为缓存中的每个键维护一个使用计数器。使用计数最小的键是最久未使用的键。

当一个键首次插入到缓存中时，它的使用计数器被设置为 1 (由于 put 操作)。对缓存中的键执行 get 或 put 操作，使用计数器的值将会递增。

函数 get 和 put 必须以 O(1) 的平均时间复杂度运行。

解题思路

1、构造节点结构体

保存对应的数据信息

const LFUNode = function (
  key = "",
  val = "",
  freq = 0,
  pre = null,
  next = null
) {
  this.key = key;
  this.val = val;
  this.freq = freq;
  this.pre = pre;
  this.next = next;
};

2、构造双向链表

构造带有头尾节点的双向链表，head和tail为哨兵节点，不保存信息，仅用于标记头尾。

const LFULinkLine = function (node) {
  let head = new LFUNode("head");
  let tail = new LFUNode("tail");
  head.next = node;
  tail.pre = node;
  node.pre = head;
  node.next = tail;
  this.head = head;
  this.tail = tail;
};

3、编写链表头添加节点方法

将节点插入到链表的头结点之后，其他节点往后移。

LFULinkLine.prototype.addNode = function (node) {
  this.head.next.pre = node;
  node.pre = this.head;
  node.next = this.head.next;
  this.head.next = node;
};

4、编写删除节点方法

将节点从链表中删除。

LFULinkLine.prototype.removeNode = function (node) {
  node.pre.next = node.next;
  node.next.pre = node.pre;
};

5、构造LRU缓存结构体

构造LRU缓存结构体，具体信息如下代码，capacity用于保存最大缓存数，即该类的容量；num保存当前存储的数据量，用于判别是否超出最大容量；minFreq保存当前存储的数据中的最小频率，删除的时候需要优先删除频率最小的；kvMap保存节点详细信息，索引为节点的key值，查询可以直接从这里查出信息；freqMap保存对应频率的链表信息，索引为节点的freq（频率），删除的时候可以快速从这里获取需要删除节点的信息。

/**
 * @param {number} capacity
 */
var LFUCache = function (capacity) {
  this.capacity = capacity;//最大缓存
  this.num = 0;//当前数目
  this.minFreq = 0;//当前最小频率
  this.kvMap = new Map();//保存节点信息
  this.freqMap = new Map();//保存对应频率的链表信息
};

6、编写get方法

get主要有以下两种情况：

（1）节点存在

通过kvMap获取到对应节点
将节点从freqMap中删除
判断是否需要修改minFreq
修改节点的freq
重新将节点插入freqMap
返回节点的value

（2）节点不存在
容量capacity为0或者kvMap中没有该节点信息，直接返回-1即可。

/**
 * @param {number} key
 * @return {number}
 */
LFUCache.prototype.get = function (key) {
  if (this.capacity === 0) return -1;
  if (!this.kvMap.has(key)) return -1;
  //通过kvMap获取到对应节点
  let node = this.kvMap.get(key);
  let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
  //将节点从freqMap中删除
  linkLine.removeNode(node);
  //判断是否需要修改minFreq
  //清空了
  if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
    this.freqMap.delete(node.freq);
    if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
  }
  //修改节点的freq
  node.freq++;
  //重新将节点插入freqMap
  if (this.freqMap.has(node.freq)) {
    linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
    linkLine.addNode(node);
  } else {
    this.freqMap.set(node.freq, new LFULinkLine(node));
  }
  //返回节点的value
  return node.val;
};

7、编写put方法

put操作主要有以下两种情况：

（1）更新

通过kvMap获取到对应节点
将节点从freqMap中删除
判断是否需要修改minFreq
更新节点信息
重新将节点插入freqMap

（2）存入

存入情况下又有两种情况：

容量已满

通过minFreq找到需要删除的节点
将节点从freqMap中删除
判断是否需要修改minFreq
将新节点插入freqMap
更新minFreq

容量未满

修改num
将新节点插入freqMap
更新minFreq

/**
 * @param {number} key
 * @param {number} value
 * @return {void}
 */
LFUCache.prototype.put = function (key, value) {
  if (this.capacity === 0) return;
  if (this.kvMap.has(key)) {
    //更新
    //通过kvMap获取到对应节点
    let node = this.kvMap.get(key);
    //将节点从freqMap中删除
    let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
    linkLine.removeNode(node);
    //判断是否需要修改minFreq
    if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
      if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
      this.freqMap.delete(node.freq);
    }
    //更新节点信息
    node.val = value;
    node.freq++;
    //重新将节点插入freqMap
    if (this.freqMap.has(node.freq)) {
      linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
      linkLine.addNode(node);
    } else {
      linkLine = new LFULinkLine(node);
      this.freqMap.set(node.freq, linkLine);
    }
  } else {//存入
    if (this.capacity == this.num) {//存满
      //通过minFreq找到需要删除的节点
      let freq = this.minFreq;
      let linkLine = this.freqMap.get(freq);
      let node = linkLine.tail.pre;
      //将节点从freqMap中删除  
      linkLine.removeNode(node);
      this.kvMap.delete(node.key);
      //判断是否需要修改minFreq
      if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
        this.freqMap.delete(node.freq);
      }
    } else {
      //修改num
      this.num++;
    }
    //将新节点插入freqMap
    let node = new LFUNode(key, value, 0);
    this.kvMap.set(key, node);
    if (this.freqMap.has(0)) {
      let linkLine = this.freqMap.get(0);
      linkLine.addNode(node);
    } else {
      let linkLine = new LFULinkLine(node);
      this.freqMap.set(0, linkLine);
    }
    //更新minFreq
    this.minFreq = 0;
  }
};

代码

const LFUNode = function (
  key = "",
  val = "",
  freq = 0,
  pre = null,
  next = null
) {
  this.key = key;
  this.val = val;
  this.freq = freq;
  this.pre = pre;
  this.next = next;
};
const LFULinkLine = function (node) {
  let head = new LFUNode("head");
  let tail = new LFUNode("tail");
  head.next = node;
  tail.pre = node;
  node.pre = head;
  node.next = tail;
  this.head = head;
  this.tail = tail;
};
LFULinkLine.prototype.addNode = function (node) {
  this.head.next.pre = node;
  node.pre = this.head;
  node.next = this.head.next;
  this.head.next = node;
};
LFULinkLine.prototype.removeNode = function (node) {
  node.pre.next = node.next;
  node.next.pre = node.pre;
};

/**
 * @param {number} capacity
 */
var LFUCache = function (capacity) {
  this.capacity = capacity;
  this.num = 0;
  this.minFreq = 0;
  this.kvMap = new Map();
  this.freqMap = new Map();
};

/**
 * @param {number} key
 * @return {number}
 */
LFUCache.prototype.get = function (key) {
  if (this.capacity === 0) return -1;
  if (!this.kvMap.has(key)) return -1;
  let node = this.kvMap.get(key);
  let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
  linkLine.removeNode(node);
  //清空了
  if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
    this.freqMap.delete(node.freq);
    if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
  }
  node.freq++;
  if (this.freqMap.has(node.freq)) {
    linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
    linkLine.addNode(node);
  } else {
    this.freqMap.set(node.freq, new LFULinkLine(node));
  }
  return node.val;
};

/**
 * @param {number} key
 * @param {number} value
 * @return {void}
 */
LFUCache.prototype.put = function (key, value) {
  if (this.capacity === 0) return;
  if (this.kvMap.has(key)) {
    //更新
    let node = this.kvMap.get(key);
    node.val = value;
    let linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
    linkLine.removeNode(node);
    if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
      if (this.minFreq == node.freq) this.minFreq++;
      this.freqMap.delete(node.freq);
    }
    node.freq++;
    if (this.freqMap.has(node.freq)) {
      linkLine = this.freqMap.get(node.freq);
      linkLine.addNode(node);
    } else {
      linkLine = new LFULinkLine(node);
      this.freqMap.set(node.freq, linkLine);
    }
  } else {
    //存入
    if (this.capacity == this.num) {
      //存满
      let freq = this.minFreq;
      let linkLine = this.freqMap.get(freq);
      let node = linkLine.tail.pre;
      linkLine.removeNode(node);
      this.kvMap.delete(node.key);

      if (linkLine.head.next === linkLine.tail) {
        this.freqMap.delete(node.freq);
      }
    } else {
      this.num++;
    }
    let node = new LFUNode(key, value, 0);
    this.kvMap.set(key, node);
    if (this.freqMap.has(0)) {
      let linkLine = this.freqMap.get(0);
      linkLine.addNode(node);
    } else {
      let linkLine = new LFULinkLine(node);
      this.freqMap.set(0, linkLine);
    }
    this.minFreq = 0;
  }
};

/**
 * Your LFUCache object will be instantiated and called as such:
 * var obj = new LFUCache(capacity)
 * var param_1 = obj.get(key)
 * obj.put(key,value)
 */